基于PowerPC的嵌人式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式處理器在通信設(shè)備、消費(fèi)電子、軍用電子等領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用，而且對(duì)處理器的處理速度、功耗及工作溫度都有了更加嚴(yán)格的要求，尤其在汽車電子、軍用電子等方面的應(yīng)用。

Freescale公司的MlPC5200B是一款緊湊型、低功率的嵌入式處理器，與其他的嵌入式處理器相比具有獨(dú)特之處，能滿足上述的性能要求。MP(25200B集成有高性能的MPC603e內(nèi)核，該內(nèi)核采用超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)，能在400MHz的頻率和一40～85℃的溫度范圍內(nèi)處理速度為760MIPS，105℃時(shí)以264MHz(500MIPS)運(yùn)行，適用于更高溫度級(jí)別的環(huán)境。而且．MPC603e內(nèi)核集成了一個(gè)高性能、雙精度的浮點(diǎn)單元(FPU)，可加快與其他關(guān)鍵任務(wù)平行的復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算的速度?？蔀榇蠖鄶?shù)視頻算法提供足夠的支持。此外，MPC5200B集成了豐富的外設(shè)接口[1]，其強(qiáng)大的功能符合汽車電子系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的需求，為系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了保證。

2系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)基于MPC5200B的嵌入式視頻處理系統(tǒng)，在硬件方面需要提供全面的通信、足夠的內(nèi)存、調(diào)試功能以及測(cè)試顯示功能。根據(jù)設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)主要由主處理器部分、視頻信號(hào)輸入部分、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分、顯示部分、通信部分等組成，如圖1所示。

主處理器部分的設(shè)計(jì)主要包括了系統(tǒng)電源、PLL電源電路、時(shí)鐘電路、軟硬件復(fù)位電路、上電復(fù)位電路和下載調(diào)試電路等。

存儲(chǔ)單元部分的存儲(chǔ)器主要取決于微處理器的支持，MPC5200B支持的存儲(chǔ)器主要包括SDRAM，ROM，F(xiàn)LASH，SRAM等。容量的大小取決于內(nèi)核映射、操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)等的大小。

視頻輸入部分，模擬視頻信號(hào)由差分電路輸入，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器AD9883A轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再送到MPC5200進(jìn)行處理。

通信接口部分電路包括：人-機(jī)接口和機(jī)-機(jī)接口，提供了1個(gè)Ethernet接口、1個(gè)RS232接13、1個(gè)PCI接口、1個(gè)I2C接口等。

2．1存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

MPC5200B具有兩組外部總線：SDRAM總線和LocalPlus總線，SDRAM總線支持同步的單速率DRAM和雙速率DRAM，采用突發(fā)式讀取方式，提高了SDRAM總線的帶寬。SDRAM總線的時(shí)鐘頻率等于內(nèi)部總線XLBus的時(shí)鐘頻率。而LocalPlus總線一般可以和ROM，F(xiàn)LASH，SRAM及其他的外圍設(shè)備相連接。

2．1．1MPC5200B與SDRAM的連接

MPC5200B內(nèi)部自帶16kB的SRAM，但需要擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器，通過(guò)SDRAM控制器與外部SDRAM相連接，SDRAM用于存儲(chǔ)系統(tǒng)所要處理的數(shù)據(jù)等。本系統(tǒng)采用兩片MICRON公司的MT48LCl6M16A2SDRAM存儲(chǔ)器，MT48LCl6M16A2是3．3V供電，支持自刷新模式，每8192個(gè)SDRAM時(shí)鐘周期(64ms)刷新一次，其容量為256Mb，可配置為64M×4b，32M×8b，16M×16b。兩片SDRAM可構(gòu)成16M×32b的外部SDRAM存儲(chǔ)器，連接原理圖如圖2所示。

當(dāng)上電復(fù)位時(shí)，SDRAM總線是無(wú)效的，也就是說(shuō)SDRAM的片選信號(hào)是無(wú)效的，所以上電時(shí)得先配置初始化寄存器，使SDRAM的片選信號(hào)有效，然后才能從SDRAM總線上讀取數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)正常運(yùn)行。

SDRAM在上電100～200μs后，必須由一個(gè)初始化進(jìn)程來(lái)配置SDRAM的模式寄存器，模式寄存器的值決定著SDRAM的工作方式，具體操作步驟如下：

(1)確定SDRAM的片選信號(hào)CS#的空間；

(2)根據(jù)SDRAM的參數(shù)和時(shí)鐘頻率計(jì)算存儲(chǔ)器、控制器寄存器的值；

(3)寫SDRAM的模式寄存器和控制寄存器。

2．1．2MPC5200B與FLASH的連接

FLASH采用的是AMD公司的AM29LV065D，容量是8M×8B，支持3．0～3．6V的讀、擦除和編程操作，用于存儲(chǔ)系統(tǒng)的引導(dǎo)程序，與MPC5200B的連接原理圖如圖3所示。芯片AM29I。V065D是23根地址線和8根數(shù)據(jù)線，所以MPC5200B與AM29LV065D的連接可采用nonMUXed模式。MPC5200B的LocalPlus總線的高8位AD[31：24]作為數(shù)據(jù)線和FLASH的數(shù)據(jù)線相連接，而總線的低24位AD[23：0]作為地址總線與FLASH的地址線相連接。

因?yàn)橄到y(tǒng)上電后，系統(tǒng)從與LPCS0相連的存儲(chǔ)設(shè)備啟動(dòng)，所以FLASH做BootROM時(shí)，片選信號(hào)CE#必須與MPC5200B的LPCS0引腳相連接。

FLASH是慢速設(shè)備，需要一些等待狀態(tài)，因此在每次Boot時(shí)，需要默認(rèn)最長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)啟動(dòng)MPC5200B。最長(zhǎng)等待狀態(tài)為48個(gè)PCIClocks(即727ns，當(dāng)LocalPlus頻率為66MHz時(shí))。

2．2通信接口的設(shè)計(jì)

通信接口的主要功能是實(shí)現(xiàn)人-機(jī)、機(jī)-機(jī)之間的信息交互和數(shù)據(jù)的傳輸。主要設(shè)計(jì)包括以下幾點(diǎn)：

Ethernet收發(fā)器采用的是Intel公司的芯片LXT972A，與MPC5200B的以太網(wǎng)口控制器相連。RXCLK與TXCLK：接收和發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)，由LXT972A提供，連接到MPC5200的以太網(wǎng)控制器端口。RXD[3：O]，TXD[3：O]：分別為接收和發(fā)送信號(hào)，由MPC5200提供，連接到LXT972A的RXD和TXD13。TXEN：發(fā)送使能信號(hào)。COL：：沖突監(jiān)測(cè)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)控制器的沖突監(jiān)測(cè)輸入。

PCI接口控制器主要功能是實(shí)現(xiàn)主處理器與視頻輸入部分之間的數(shù)據(jù)傳輸。PCI的數(shù)據(jù)地址總線是復(fù)用的，均為MPC5200B的LocalPlus總線的數(shù)據(jù)地址總線，而PCI的控制信號(hào)線是由MPC5200的PCI控制器提供的。

RS232收發(fā)器采用的是MAXIM公司的MAX3232，與MPC5200B的UART口相連接。

2．3與LCD控制器的接口設(shè)計(jì)

LCD控制器采用愛(ài)普生公司的液晶控制芯片S1D13806，S1D13806是高度集成的彩色LCD/CRT/TV圖像控制器，內(nèi)部集成有1280kb的SDRAM，支持多CPU接13，S1D13806的體系結(jié)構(gòu)滿足嵌入式系統(tǒng)的低電壓、低功耗的要求。S1D13806具有21條地址線和16條獨(dú)立的數(shù)據(jù)線，與LocalPlus總線的連接方式可為混合模式，因?yàn)镸PC5200B的總線為數(shù)據(jù)、地址線復(fù)用的，所以需要地址鎖存器來(lái)鎖存地址。連接示意圖如圖4所示。

2．4系統(tǒng)復(fù)位和配置

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MPC5200B有3個(gè)基本的復(fù)位信號(hào)，上電復(fù)位、內(nèi)部/外部硬件復(fù)位和內(nèi)部/外部軟件復(fù)位。

系統(tǒng)上電復(fù)位時(shí)間在上電后至少要保持35μs，這樣系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)才能趨于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。而硬件和軟件復(fù)位信號(hào)要保持4095個(gè)時(shí)鐘周期的低電平。

當(dāng)外部硬件復(fù)位信號(hào)HRESET#有效時(shí)，內(nèi)部復(fù)位邏輯捕捉到外部復(fù)位信號(hào)為低電平時(shí)，使內(nèi)部硬件復(fù)位和軟件復(fù)位信號(hào)保持4095個(gè)時(shí)鐘周期的低電平。而只有當(dāng)外部硬件復(fù)位信號(hào)至少保持4個(gè)時(shí)鐘周期的有效電平后才能被確認(rèn)為有效復(fù)位信號(hào)。MPC5200B的時(shí)鐘分配模塊(CDM)中的寄存器有軟件復(fù)位設(shè)置位，可通過(guò)微處理器來(lái)設(shè)置。當(dāng)這個(gè)寄存器中的軟件復(fù)位位設(shè)置為0時(shí)，會(huì)引起外部和內(nèi)部的軟件復(fù)位[1]。

3系統(tǒng)的BSP配置

硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成以后還要進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。VxWorks以其優(yōu)越的性能被廣泛運(yùn)用于各種嵌入式系統(tǒng)。

3．1BSP的概述

3．1．1BSP的功能

(1)初始化

CPU初始化初始化CPU內(nèi)部狀態(tài)寄存器、控制寄存器、高速緩存等。

目標(biāo)機(jī)初始化初始化控制芯片的寄存器(如BUS，DMA，DRAM)、I/O寄存器，為上層軟件系統(tǒng)提供硬件環(huán)境的支持。

系統(tǒng)資源初始化初始化操作系統(tǒng)，為操作系統(tǒng)正常運(yùn)行進(jìn)行資源初始化。

(2)提供VxWorks訪問(wèn)硬件的驅(qū)動(dòng)程序和相關(guān)設(shè)備的初始化操作。

(3)集成了與硬件相關(guān)的軟件和部分硬件無(wú)關(guān)的軟件。

3．1．2BSP的組成

BSP由頭文件、源文件、makefile文件和派生文件組成。

3．2調(diào)試過(guò)程

系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用Bootrom加VxWorks的方式，這種啟動(dòng)形式有其獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，如適應(yīng)硬件、方便現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試等。

本系統(tǒng)采用的調(diào)試工具是WindRiver公司的調(diào)試軟件visionCLICK及仿真器WindRiverICE。具體步驟如下：

(1)連接好仿真器和目標(biāo)板。主要是電源、串口、JTAG口。

(2)上電后，用仿真器的串口連接電腦的RS232串口，打開(kāi)超級(jí)終端，按下仿真器的復(fù)位鍵，在超級(jí)終端可看到仿真器的相關(guān)信息。主要看IPAddress，主機(jī)(host)的IP的地址要和仿真器的IP地址在同一IP段，在超級(jí)終端可運(yùn)行help命令，可看到各種命令，均可運(yùn)行。運(yùn)行"eth-setup"命令可更改仿真器的IP地址。

(3)打開(kāi)visionCLICK，新建工程，按照提示設(shè)置，主要有：configurationfile，symbolfile，downloadfile和sourcepath，其他的選項(xiàng)默認(rèn)，生成bootromuncmp．a(chǎn)b和bootrom_unemp．bdx

(4)連接仿真器，下載，運(yùn)行。提示無(wú)誤后，可觀察各窗口的寄存器，內(nèi)存等單元的值，進(jìn)行調(diào)試，如有錯(cuò)誤，修改源代碼，重新開(kāi)始編譯、下載，直到完全正確為止。

BootROM調(diào)試完后，把目標(biāo)板的以太網(wǎng)口和主機(jī)的網(wǎng)口相連，BootROM會(huì)自動(dòng)從網(wǎng)口引導(dǎo)，把編譯好的VxWorks加載到目標(biāo)板，進(jìn)行調(diào)試。最后全部完成后，把BootROM和VxWorks都固化到目標(biāo)板上，以便脫機(jī)運(yùn)行。

4結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)完成后，在基于MPC5200B的嵌入式視頻處理系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)上，移植了嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks，然后進(jìn)行相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，并選擇相應(yīng)的視頻圖像處理算法，實(shí)現(xiàn)完整的嵌入式視頻處理系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)滿足視頻信號(hào)處理的要求。隨著科技的發(fā)展，嵌入式計(jì)算機(jī)在消費(fèi)電子、通信設(shè)備、工業(yè)控制和軍用電子等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用，所以本系統(tǒng)的應(yīng)用前景是非常廣泛的。